Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí

Luận văn Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí bao gồm ba chương: Chương 1 - Tổng quan về pin Fe - khí, Chương 2 - Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu, Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C  ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ Chun ngành: Vật Lí nhiệt Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:    HDC: TS. BÙI THỊ HẰNG HDP: GS. TS. LƯU TUẤN TÀI Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm  ơn sâu sắc đến  cô giáo Bùi Thị  Hằng, viện  ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa   học Tự nhiên, người đã tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người đã động viên,  tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để em hồn thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy cơ  đã hướng dẫn em nghiên cứu về  đề  tài luận văn rất thiết thực và có nhiều  ứng  dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học Em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo trong bộ mơn Vật Lí Nhiệt độ  thấp, các thầy cơ giáo trong khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự  nhiên  cũng như các thầy cơ giáo trong viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng  dạy và giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm  ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học và Cơng nghệ Quốc  gia (NAFOSTED). Nghiên cứu trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ trong đề  tài mã số 103.02­2014.20, Cuối cùng, em xin gửi lời cảm  ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã   ln bên em, cổ  vũ và động viên tinh thần em những lúc khó khăn để  em có thể  vượt qua và hồn thành tốt luận văn này Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Học viên: Phùng Thị Sơn                                                        MỤC LỤC  MỤC LỤC                                                                                                               4  Tiếng Việt:                                                                                                            46  BÀI BÁO ĐàCÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN                                 49 Bùi Thị Hằng, Phùng Thị Sơn, Dỗn Hà Thắng – Vật liệu Composit Fe203  ứng dụng làm điện cực âm pin sắt/khí, kỷ yếu tại Hội nghị Vật lý chất  rắn và Khoa học Vật liệu tồn quốc lần thứ IX tại TP.Hồ Chí Minh,   11/2015.                                                                                                                  49 BÀI BÁO ĐàCÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN                                    48       DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc  lại Bảng 1.2: Đặc trưng của pin Fe ­  12 khí 29 Bảng 2.1:  Bảng hoá chất và nguyên vật  liệu Bảng 3.1: Đặc trưng cơ bản của AB và  Fe2O3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình   1.1:   Sơ   đồ   nguyên   lý   hoạt   động     pin   kim   loại   ­  khí…………… Hình   1.2:     Nguyên   lý   hoạt   động     pin   Fe   ­  khí………………………… Hình  1.3:    Đường   cong   phóng  ­  nạp     điện   cực  sắt…………………… Hình   2.1: điện  13 Hệ  14 AutoLab Hình   2.3:   Sơ   đồ   khối   kính   hiển   vi   điện   tử  15 qt…………………………… Hình 2.4: Sơ  đồ  ngun lý của kính hiển vi điện tử  truyền qua (TEM) 17 …… Hình Cyclic  20 Voltametry………………………… Hình   2.6:Quan   hệ     điện       dòng   điện     quét     vòng   21   Cell   ba cực Hình   2.2:   2.5:   Đồ   thị   quét         vòng   hồn… Hình 2.7: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong qt thế vòng tuần  kỳ  22 quét…………………………………………… Hình   2.8:   Mạch   điện   tương   đương     bình   đo   điện  23 hóa………………… Hình   2.9:   Sơ   đồ   biểu   diễn   tổng   trở     mặt   phẳng   25 phức………………… Hình   3.1:  của  27 AB……………………………………………… Hình   3.2:   Ảnh   SEM     mẫu   nm­Fe2O3  với     độ   phóng   đại   khác  28 Hình   3.3:   Ảnh   SEM     mẫu   µm­Fe2O3  với     độ   phóng   đại   khác  28 hoàn  trong     Ảnh số     TEM chu     Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu µm­Fe2O3/AB (a) và nm­Fe2O3/AB (b) Hình 3.5:  Đặc trưng CV của điện cực AB (AB:PTFE= 90:10 wt%) 29 trong dung dịch 8 M KOH……………………………………… ……… Hình 3.6: Đặc trưng CV của điện cực composit nm­Fe2O3 (Fe2O3:PTFE =  30 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………… Hình 3.7: Đặc trưng CV của điện cực composit µm­Fe2O3 (Fe2O3:PTFE =  31 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………… Hình  3.8:  Đặc   trưng   CV     điện   cực   composit   nm­Fe2O3  /AB  33 (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH +  K2S (b)…………………………………………………………………… Hình  3.9:  Đặc   trưng   CV     điện   cực   composit   µm­Fe2O3  /AB  35 (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH +  K2S (b)…………………………………………………… ……………… Hình  3.10:  Phổ   tổng  trở    của   điện  cực   nm­Fe2O3  (Fe2O3:PTFE   =  38 90:10   wt.%)     dung   dịch   KOH   (a)     KOH   +   K 2S  39 (b)  Hình  3.11:  Phổ   tổng  trở    của   điện  cực   µm­Fe2O3  (Fe2O3:PTFE   =  90:10   wt.%)     dung   dịch   KOH   (a)     KOH   +   K 2S  40 (b)  Hình  3.12:  Phổ   tổng   trở    của   điện   cực   nm­Fe2O3/AB  (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH +  41 K2S (b) Hình  3.13:  Phổ   tổng   trở    của   điện   cực   µm­Fe2O3/AB  (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH +  K2S (b)  41 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên Acetylen black cacbon Cyclic Voltammetry Electrochemical Impedance Spectroscopy Open Circuit Potential (Thế mạch hở) Open Circuit Voltage (Điện áp mạch mở) Polytetrafluoroethylene Scanning Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Kí hiệu AB CV EIS OCP OCV PTFE SEM TEM MỞ ĐẦU Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống của chúng ta. Tuy  nhiên năng lượng điện hầu như khơng được tích trữ. Trong pin các hợp chất hóa  học hoạt động như  một phương tiện lưu trữ  năng lượng   Các thiết bị  di động  ngày càng phát triển nhanh, mạnh cả về số lượng, tính năng và cấu hình đang đòi  hỏi khơng ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng các loại pin sạc hiện có.  Trong khi đó, cơng nghệ  pin vẫn còn nhiều hạn chế, thách thức  so với các u  cầu của các thiết bị mới này. Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm để nghiên  cứu và cố gắng tạo ra loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao , thời gian sạc  ngắn và đã đạt được những kết quả nhất định.  Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an tồn, mật độ năng lượng và năng lượng  riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với mơi trường cho các thiết bị điện tử, xe điện   và các ứng dụng lưu trữ năng lượng ngày càng cao. Những năm gần đây, các nhà  khoa học trên thế giới đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại ­ khí với  hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử  dụng  rộng rãi hiện nay. Loại pin này được xem là có tiềm năng  ứng dụng trong các  loại xe điện, xe hybrid điện… do chúng có mật độ  năng lượng cao và oxy trong  khơng khí được sử dụng như là vật liệu điện cực dương của pin [4, 34, 43]. Theo  Giáo sư Hongjie Dai ­ Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: “Hầu  hết sự chú ý của thế giới hiện nay tập trung vào pin lithium­ion mặc dù mật độ  năng lượng (lưu trữ năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích) của nó hạn chế, chi phí   cao và mức độ an tồn thấp. Đối với pin kim loại ­ khí thì mật độ năng lượng lý  thuyết cao hơn so với pin lithium  ­ ion hay pin Ni ­ MH, nguồn cung cấp ngun  liệu phong phú, chi phí thấp và an tồn hơn do bản chất khơng cháy của các chất  điện phân” Bảng 1.1 thể hiện số liệu so sánh cơng nghệ một số pin sạc lại, trong đó   pin kim loại ­ khí cho thấy năng lượng lý thuyết cũng như  năng lượng riêng và  mật độ năng lượng lớn nhất [28] Bảng 1.1.  Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại Công nghệ Lead – acid Nickel – cadmium Nickel – iron Nickel – hydrogen Nickel – metal hydride Nickel – zinc Zinc/silver oxide Zinc/bromine Polysulfide/bromine Vanadium – redox Zinc/air Aluminum/air Iron/air Sodium/sulfur Sodium/nickel chloride Li – Al/FeS Li – Al/FeS2 Li – C/LiCoO2 Li – C/LiNi1­xCoxO2 Li – C/LiMn2O4 –  Thế  Dung  Năng  Thời  Tự phóng  mạch  lượng  lượng  gian  (%/tháng)  hở (V) riêng lý  riêng lý  sạc  ở 200C thuyếta  thuyếta  (h) (Ah/kg) 120 181 224 289 178 215 283 238 27 21 825b 2980b 960b 375 305 345 285 100 ­ 105 (Wh/kg) 252 244 314 434 240 327 524 429 41 29 1320 8135 1250 755 787 459 490 360 ­ 400 8 – 24 1 – 16 1 ­ 24 1 – 2 8 – 18 ­ 8 – 12 6 –10 ­ ­ ­ 5 – 6 3 – 6 5 – 8 5 – 8 ­ 2.5 2.1 1.35 1.4 1.5 1.35 1.73 1.85 1.83 1.5 1.4 1.6 2.73 1.3 2.08 2.58 1.33 1.73 3 – 4 3 – 4 3 – 4 10 25 60 30 15 12 – 15 5 – 10 5 – 10 ­ ­ 15 ­ ­ ­ ­ ­